2019 Fiscal Year Annual Research Report
臨場感を実現する高精細形状記憶厚膜型の装着式触覚ディスプレイ開発
| Project/Area Number |
18H01402
|
|---|
| Research Institution | Yamagata University |
|---|
Principal Investigator |
峯田 貴 山形大学, 大学院理工学研究科, 教授 (50374814)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
野々村 美宗 山形大学, 大学院理工学研究科, 教授 (50451662)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
|
| Keywords | 触覚ディスプレイ / 装着型 / 形状記憶合金 / 厚膜形成 / MEMS |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
アクチュエータに用いるSMA膜厚方向の組成均一化と柔軟化を目指し、電子線加熱機構と高真空排気システムを付加したフラッシュ蒸着装置を立ち上げた。また、SMAフラッシュ蒸着各層を超薄膜化したTiNiCuとTiNiCo積層膜への熱処理効果を調べ、700℃での溶体化処理により結晶化が進んで大きな形状回復特性を得られることを見出した。
拡大ピッチアレイ型に対応したNi膜バイアスばねと厚膜レジストによるマイクロピン構造の一括形成手法を確立し、再試作したSMA厚膜アクチュエータ基板と一体化して振動可能な触覚ディスプレイ素子を実現した。15 Hz以上のパルス通電では感知限界近くまで振幅が半減することがわかり、細長いSMA可動部からフレームへの放熱が律速することを明らかにした。また、研究の過程で新たに、Ni、Al膜を150～400℃の低温域での高速熱処理で塑性変形させて可動構造の初期たわみを調製する手法を考案し、有効性を確認した。
SMAアクチュエータアレイの各素子へ、簡素な格子状配列の外部配線から接続可能にするために、基板貫通配線（TSV）構造のSi基板へ逆流防止用ダイオードを新たに形成した。さらに、貫通孔をもつ基板上へ厚膜レジストSU-8パターンを均一な膜厚で形成する条件を見出し、SU-8層を介してSMAアクチュエータ基板へ一括接合する手法を確立し、本方式実現の見通しを得た。
微細凹凸パターンを微細加工した基板表面用い、手指で感じる粗さ感と抵抗感への影響について、触感官能評価と指モデル型力覚センサシステムでの摩擦挙動評価の両面から定量的に解析した。抵抗感には接触面積の効果に加え、数10~100 Hzの振動を伴うスティックスリップ現象が影響することを確認した。また、粉体や人工皮革等の表面で感じる「しっとり感」を発現する典型的な摩擦パターンを明らかにし、触感提示のための指針を得た。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
TiNi系SMA厚膜の特性向上については、成膜後の容態化熱処理による結晶化の効果により、大きな形状回復特性を得ることが可能になった。変態温度の制御が必要であり、膜組成の最適条件探査と併せ、柔軟化の検証が課題である。
拡大ピッチアレイ型に対応したNi膜バイアスばね機構の一括形成手法とSMA厚膜アクチュエータ基板への接合手法を確立し、振動発生可能な触覚ディスプレイ素子を実現した。15 Hz以上では振幅が感知限界近くまで低下し、細長いSMA可動部からフレーム部への放熱による冷却が律速することを突き止めた。さらなる出力拡大が課題となる。また新たに、Al、Ni膜を低温域での高速熱処理により初期たわみを調製できるという成果を得た。
SMA素子チップ上のSMAアクチュエータアレイへ、高密度実装用の基板貫通配線（TSV）構造のSi基板へ逆流防止用ダイオードを形成し、さらに、貫通孔をもつ基板上へ均一に厚膜レジストSU-8パターンを形成して、前年い確立した導電樹脂塗布法と併用して基板間の導通を確保しつつ、SMAアクチュエータ基板への一括接合手法の確立に成功している。課題であるTSV配線の形成歩留まりを向上すれば、チップ裏面から導通を取り、簡素な格子状配列の外部配線への接続が可能となり、高密度実装の実現が見込める。
微細凹凸パターンを微細加工した基板表面用い、触感官能評価と指モデルを用いた摩擦挙動評価の両面から定量的に解析し、抵抗感に与える接触面積の効果と、数10~100 Hzのせん断に伴う振動の影響を確認した。また、「しっとり感」の発現する典型的な摩擦パターンを明らかにし、触感を提示していくための指針を得ることができた。
|
| Strategy for Future Research Activity |
触覚ディスプレイ用SMA厚膜マイクロアクチュエータ高出力化に向け、引き続き高真空フラッシュ蒸着法で形成するSMA厚膜の組成の精密制御による低温相の柔軟性向上への効果を評価し、SMA厚膜アクチュエータの発生力と発生振幅の増大への適用を目指す。
拡大ピッチアレイ型SMAアクチュエータ素子で明らかになったパルス通電時の応答改善に向け、SMAアクチュエータ部の冷却による効果を検証する。また、応答可能な低周波域での刺激提示と、前年度に引き続き不連続振動およびびせん断振動による刺激拡大を目指した設計の触覚ディスプレイ素子形成にも取り組む。
前年度に開発したダイオード素子アレイ基板への基板貫通配線(TSV)形成と基板接合手法を最適化し、フレキシブル配線シート上への高密度実装へ適用し、個々のSMAアクチュエータへの独立した通電加熱手法を引き続き構築していく。
高出力化して形成するSMA厚膜アクチュエータを用いた触覚ディスプレイ素子による取り組み加え、新たに簡易型の触覚提示機構の構築も検討し、皮膚への広範囲の装着を想定した触感官能評価試験により提示パターンによる臨場感への効果の検証に取り組んでいく。
|
